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なぜ氷の上は滑るの?~氷の科学

2月に入り、ここ札幌の冬はますます厳しくなっています。最高気温が0℃ないのも当たり前です。今年は暖冬と言われますが、あまり実感できないものです。

その寒さ故か、北国の気候では様々な問題が起こります。その一つに路面の凍結があります。路面の凍結は(あの悪名高い!) アイスバーンともいいます。気温が氷点以下になり道路面上の水分が凍りつくことで凍結が生じます。このため、冬になると車のスリップ事故や歩行者の転倒事故が数多く起こってしまいます。札幌市では機械除排雪、凍結防止剤の散布、砂箱設置による安全対策をしていますが、問題の解決は難しいようです。

つるっと滑って転ばないためにも雪道を歩くときには足元に注意しなければいけません。しかし、ここである疑問が。なぜ凍った路面で滑ってしまうのでしょうか?どんなに注意してもツルツルの氷の上では簡単に滑ってしまうことが多いでしょう。一見理屈は簡単そうに見えても、説明するのは難しいのではないでしょうか?では、これから科学の世界から氷を眺めてみることにしましょう!

科学の世界では昔から氷について様々な研究がなされていて、最近になって新種の氷が発見されていたりします。「なぜ氷の上で滑ってしまうのか」今までこの問題についても様々な説が考えられてきました。ここでは「圧力融解説」「摩擦熱説」「凝着説」という3つの有力な説を紹介していきます。

まず1901年にイギリスのレイノルズが圧力融解説を発表しました。圧力のために氷が融解し、解け水が軟滑剤の働きをするというものです。これには氷の「圧力によって融ける温度(融点)が下がる」性質が用いられています。この説は一見理にかなっているようです。しかし、後になってこの理論には大きな欠陥が見つかりました。例えば平均的な体重の男性がスケートに乗った場合、片足で15気圧ほどになります。氷は1気圧の圧力を加えるごとに融点が0.0075℃ずつ下がるので、この場合には氷の温度が-0.11℃より高くなければ氷はよく滑らないことになります。しかし実際は-5℃でも-10℃でもスケートはよく滑ることは明らかです。よってこの説だけでは説明不足となります。

この説に対し、1936年に「解け水は圧力でなく摩擦熱によって生じる」とケンブリッジ大学のバウデンとヒューズが摩擦熱説を発表しました。滑り台で滑った後、お尻が熱くなったことはありませんか?あれは摩擦熱が原因です。彼らはスキーを使って多くの実験をしてその説に至りました。スキー板と氷が生じた摩擦熱により滑るのではないかと。しかし後の実験で「速度が速ければ速いほど滑りやすい」という彼らの主張にも矛盾が見つかり、この摩擦熱説も学者の一部から疑問の声が上がっています。

他にも接触面でお互いの表面の原子の結合力により固体同士がくっつくことで滑る、凝着説があります。しかし有力であっても、この問題は未だに解決されていないのです。

結論を言いますと、氷の上で滑る原因ははっきりとは分かりません。しかし、研究途中ということもあるので、新たな進展がありましたら報告しようと思います。また、最初に路面凍結について記しましたが、雪や氷は悪い面ばかりでなくウインタースポーツを楽しめるといういい面もありますよね。これを機に身近な氷や雪の科学について考えてみてはどうでしょうか?

<参考文献>
前野紀一著『新版 氷の科学』(北海道大学図書刊行会発行)

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